บทที่ 05 — โรงไฟฟ้าพลังความร้อน: ก๊าซ ถ่านหิน และพลังความร้อนร่วม

05.1 สูตรสำเร็จของโรงไฟฟ้าความร้อน

ลองนึกภาพตอนต้มน้ำในกาต้มน้ำที่บ้าน พอน้ำเดือดจัด ฝากาจะเริ่มสั่น บางรุ่นถึงกับมีนกหวีดดังแหลม นั่นคือหลักฐานว่าไอน้ำมีแรงมหาศาลซ่อนอยู่ข้างใน มากพอจะดันฝาที่มีน้ำหนักกดทับให้ขยับได้ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนก็ใช้หลักการเดียวกันนี้เป๊ะๆ เพียงแต่ขยายขนาดขึ้นเป็นกาต้มน้ำยักษ์ที่เป่ากังหัน (ตามที่รู้จักไปแล้วในบทที่ 4) แทนที่จะเป่านกหวีดเล่นๆ เท่านั้นเอง

ห่วงโซ่การทำงานของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนมีอยู่ 5 ขั้นตอนหลัก เริ่มจากเผาเชื้อเพลิงให้เกิดความร้อน จากนั้นความร้อนนั้นต้มน้ำจนกลายเป็นไอน้ำแรงดันสูง ไอน้ำที่มีแรงมหาศาลนี้พุ่งเข้าไปผลักใบพัดกังหันให้หมุน กังหันหมุนก็ดึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้หมุนตามจนได้ไฟฟ้าออกมา และสุดท้ายไอน้ำที่ผ่านกังหันแล้วจะถูกควบแน่นกลับเป็นน้ำอีกครั้งเพื่อวนกลับไปต้มใหม่ นี่คือวงจรปิดที่น้ำก้อนเดียวกันถูกใช้ซ้ำไปเรื่อยๆ ไม่ต้องเติมน้ำใหม่ตลอดเวลา

1. Lid (lifted by steam pressure) — ฝากาที่ถูกแรงดันไอน้ำดันจนกระดกขึ้นเล็กน้อย หลักฐานชัดๆ ว่าไอน้ำมีแรงมากพอจะดันของหนักได้
2. Steam and boiling vapor — ไอน้ำที่เกิดจากน้ำเดือดจัดข้างใน คือ "เชื้อเพลิงแรงกล" ที่จะเอาไปผลักกังหันในโรงไฟฟ้าจริง
3. Pinwheel — กังหันของเล่นสีสันสดใส ในภาพนี้ทำหน้าที่แทนกังหันจริงของโรงไฟฟ้าขนาดยักษ์ เพื่อให้เห็นภาพง่ายๆ ว่าไอน้ำผลักใบพัดให้หมุนได้อย่างไร
4. Steam jet — ลำไอน้ำที่พุ่งออกจากปากกาไปโดนใบพัดกังหันของเล่น เทียบได้กับท่อไอน้ำแรงดันสูงที่พุ่งเข้ากังหันจริงในหัวข้อนี้
5. Spout — ปากกาที่ไอน้ำพุ่งออกมา
6. Stainless steel kettle body — ตัวกาที่บรรจุน้ำและทนความร้อนสูง เทียบได้กับหม้อไอน้ำ (boiler) ของโรงไฟฟ้าจริง
7. Handle (heat-insulated) — หูจับกาที่หุ้มฉนวนกันความร้อน ไม่เกี่ยวกับหลักการผลิตไฟฟ้าโดยตรง
8. Water level indicator — ช่องแสดงระดับน้ำในกา ช่วยให้รู้ว่ายังมีน้ำพอต้มต่อหรือไม่
9. Power indicator (light) และ Power base (contains heating element) — ฐานกาที่มีขดลวดความร้อนไฟฟ้าซ่อนอยู่ข้างใน ทำหน้าที่เป็น "แหล่งความร้อน" เทียบได้กับการเผาเชื้อเพลิงในหม้อไอน้ำของโรงไฟฟ้าจริง

สังเกตว่าในวงจรนี้ น้ำแทบไม่ได้ถูกใช้แล้วทิ้งเลย — สิ่งที่โรงไฟฟ้า "กิน" จริงๆ คือเชื้อเพลิงที่เผาให้เกิดความร้อนเท่านั้น ส่วนน้ำแค่วิ่งวนอยู่ในท่อปิดตลอดเวลา เปลี่ยนสถานะไปมาระหว่างน้ำกับไอน้ำซ้ำแล้วซ้ำเล่านับล้านรอบ

05.2 โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ: เครื่องยนต์เจ็ตที่ปักหลักอยู่กับที่

โรงไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องต้มน้ำเสมอไป มีอีกวิธีหนึ่งที่เร็วกว่ามาก นั่นคือ กังหันก๊าซ (gas turbine) ซึ่งเป็นญาติสนิทของเครื่องยนต์เครื่องบินไอพ่นแทบทุกประการ หลักการทำงานคือ ดูดอากาศเข้ามา อัดให้แน่นขึ้น ผสมกับก๊าซเชื้อเพลิงแล้วจุดระเบิด ก๊าซร้อนจัดที่เกิดขึ้นจะพุ่งออกมาด้วยแรงมหาศาลไปผลักใบพัดกังหันให้หมุนโดยตรง ไม่ต้องผ่านขั้นตอนต้มน้ำเป็นไอน้ำเหมือนในหัวข้อก่อนหน้าเลยแม้แต่น้อย

ข้อดีที่โดดเด่นที่สุดของกังหันก๊าซคือความเร็วในการสตาร์ท เพราะไม่ต้องเสียเวลาต้มน้ำให้ร้อนจนเดือด กังหันก๊าซจึงสตาร์ทเครื่องจากศูนย์จนผลิตไฟฟ้าได้เต็มกำลังภายในเวลาแค่หลักสิบนาทีเท่านั้น เร็วกว่าโรงไฟฟ้าถ่านหินที่ต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงมาก ด้วยความไวขนาดนี้ โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซจึงเหมาะที่จะถูกเรียกใช้งานตอนช่วงพีคของความต้องการไฟฟ้าที่เล่าไว้ในบทที่ 3 เป็นพิเศษ เพราะสามารถ "ตื่น" มาช่วยได้ทันเวลาพอดี เชื้อเพลิงหลักที่ใช้ในกังหันก๊าซของไทยคือก๊าซธรรมชาติ ซึ่งที่มาของก๊าซจะเล่าอย่างละเอียดในบทที่ 14

05.3 พลังความร้อนร่วม: ใช้ความร้อนให้คุ้มสองต่อ

กังหันก๊าซเดี่ยวๆ มีจุดอ่อนอยู่หนึ่งอย่าง คือก๊าซไอเสียที่ปล่อยทิ้งออกไปหลังผ่านกังหันแล้วยังคงร้อนจัดอยู่ที่ประมาณ 600 องศาเซลเซียส การปล่อยความร้อนระดับนั้นทิ้งไปเฉยๆ ก็ไม่ต่างจากต้มมาม่าเสร็จแล้วเทน้ำร้อนที่เหลืออยู่ก้นหม้อทิ้งไปทั้งที่ยังร้อนจัดอยู่เลย

ทางแก้ที่วิศวกรคิดขึ้นมาคือ เอาไอเสียร้อนจัดนั้นไปต้มน้ำต่ออีกรอบในหม้อไอน้ำพิเศษที่เรียกว่า HRSG (Heat Recovery Steam Generator — เครื่องผลิตไอน้ำจากความร้อนเหลือทิ้ง) ได้ไอน้ำมาผลักกังหันไอน้ำอีกชุดหนึ่ง ต่อเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอีกตัว ผลลัพธ์คือได้ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นมาอีกก้อนใหญ่โดยไม่ต้องเผาก๊าซธรรมชาติเพิ่มขึ้นแม้แต่นิดเดียว

ตัวเลขที่แสดงให้เห็นภาพชัดที่สุดคือประสิทธิภาพโดยรวม กังหันก๊าซเดี่ยวๆ ที่ไม่มีการนำความร้อนกลับมาใช้มีประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 1 ใน 3 ของพลังงานเชื้อเพลิงเท่านั้น แต่พอนำมาต่อเป็นพลังความร้อนร่วมแบบนี้ ประสิทธิภาพจะพุ่งขึ้นไปถึงเกือบ 2 ใน 3 ของพลังงานเชื้อเพลิง พูดง่ายๆ คือ "เผาก๊าซเท่าเดิม แต่ได้ไฟฟ้าเกือบสองเท่า" นี่คือเหตุผลที่โรงไฟฟ้าใหม่ๆ ของไทยแทบทั้งหมดถูกสร้างเป็นแบบพลังความร้อนร่วม ไม่ว่าจะเป็นโรงไฟฟ้าวังน้อย บางปะกง พระนครเหนือ พระนครใต้ ของ กฟผ. (การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย — EGAT) หรือโรงไฟฟ้าเอกชนผู้ผลิตไฟฟ้าอิสระอีกจำนวนมากที่จะเล่าถึงในบทที่ 13

1. Chao Phraya River — แม่น้ำเจ้าพระยาที่ไหลผ่านข้างโรงไฟฟ้า ใช้เป็นแหล่งน้ำหล่อเย็นของระบบ (รายละเอียดในหัวข้อ 5.5)
2. Fuel Gas Skid — จุดรับและปรับความดันก๊าซธรรมชาติก่อนส่งเข้ากังหันก๊าซ
3. Gas Turbine Building — อาคารที่ติดตั้งกังหันก๊าซ จุดที่ก๊าซธรรมชาติถูกเผาผลักกังหันตามหลักการในหัวข้อ 5.2
4. Exhaust Stacks — ปล่องระบายไอเสียของกังหันก๊าซ ก่อนไอเสียร้อนจัดจะถูกพาไปต้มน้ำต่อใน HRSG
5. HRSG (Heat Recovery Steam Generator) — เครื่องผลิตไอน้ำจากความร้อนเหลือทิ้ง คืออุปกรณ์หัวใจของหัวข้อนี้ที่ทำให้ได้ไฟฟ้า "สองต่อ" จากก๊าซเท่าเดิม
6. Steam Turbine Building — อาคารที่ติดตั้งกังหันไอน้ำชุดที่สอง รับไอน้ำจาก HRSG มาผลิตไฟฟ้าเพิ่ม
7. Water Treatment and Storage Tanks — ถังปรับสภาพและเก็บน้ำสำหรับป้อนเข้าวงจรไอน้ำแบบปิดตามที่อธิบายในหัวข้อ 5.1
8. Step-up Transformer — หม้อแปลงยกแรงดันไฟฟ้าก่อนส่งเข้าสายส่ง เหมือนที่เล่าไว้ในบทที่ 4
9. Switchyard — ลานหม้อแปลงเต็มไปด้วยเสาโครงเหล็ก จุดเปลี่ยนผ่านไฟฟ้าที่ผลิตได้เข้าสู่สายส่งแรงสูง

05.4 โรงไฟฟ้าถ่านหินและลิกไนต์: แม่เมาะ

โรงไฟฟ้าถ่านหินเดินตามสูตรของหัวข้อ 5.1 แบบตรงไปตรงมาที่สุด คือเผาถ่านหินต้มน้ำในหม้อไอน้ำขนาดยักษ์โดยตรง ไม่มีขั้นตอนซับซ้อนอย่างกังหันก๊าซหรือ HRSG มาเกี่ยวข้อง ข้อเสียคือสตาร์ทเครื่องช้ากว่าโรงไฟฟ้าก๊าซมาก ต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงกว่าจะเดินเครื่องเต็มกำลัง แต่ข้อดีคือเดินเครื่องต่อเนื่องได้ยาวนานอย่างทนทาน และต้นทุนเชื้อเพลิงต่อหน่วยไฟฟ้าค่อนข้างถูก จึงเหมาะเป็น "โหลดฐาน" (base load) คือโรงไฟฟ้าที่เดินเครื่องคงที่ตลอดเวลาแทบไม่หยุด ให้โรงไฟฟ้าที่สตาร์ทเร็วกว่าอย่างก๊าซหรือเขื่อนคอยรับส่วนที่ขึ้นๆ ลงๆ ตามที่ NCC (National Control Center — ศูนย์ควบคุมระบบกำลังไฟฟ้าแห่งชาติ) สั่งการตามที่เล่าไว้ในบทที่ 3

ตัวอย่างที่คนไทยคุ้นชื่อที่สุดคือ แม่เมาะ จังหวัดลำปาง ที่นี่มีทั้งเหมืองลิกไนต์แบบเปิดและโรงไฟฟ้าของ กฟผ. ตั้งอยู่ติดกัน เพราะขุดถ่านลิกไนต์ได้จากเหมืองข้างๆ แล้วส่งเข้าโรงไฟฟ้าได้ทันทีโดยแทบไม่ต้องขนส่งไกล แม่เมาะเป็นแหล่งผลิตไฟฟ้าหลักของภาคเหนือมายาวนานหลายสิบปี

1. Mountains of northern Thailand — ภูเขาในภาคเหนือของไทยที่ล้อมรอบพื้นที่แม่เมาะ
2. Open pit lignite mine — เหมืองลิกไนต์แบบเปิดหน้าดินที่ขุดถ่านหินคุณภาพต่ำมาป้อนโรงไฟฟ้าข้างๆ ได้โดยตรง ไม่ต้องขนส่งไกล
3. Smokestacks — ปล่องระบายก๊าซที่ผ่านระบบดักฝุ่นและกำจัดก๊าซซัลเฟอร์แล้วก่อนปล่อยออกสู่อากาศ (รายละเอียดในย่อหน้าถัดไป)
4. Power plant (main building) — อาคารโรงไฟฟ้าหลักที่มีหม้อไอน้ำเผาถ่านลิกไนต์ตามสูตรในหัวข้อ 5.1
5. Natural draft cooling towers — หอหล่อเย็นทรงเอวคอดที่ระบายความร้อนทิ้งจากวงจรไอน้ำ (รายละเอียดในหัวข้อ 5.5)
6. Cooling water pumps and canals — คลองและปั๊มน้ำที่ส่งน้ำเข้าไปหล่อเย็นระบบและระบายกลับ
7. Lignite stockpile — กองถ่านลิกไนต์ที่ขุดมาสำรองไว้ก่อนป้อนเข้าหม้อไอน้ำ
8. Conveyor system (to power plant) — สายพานลำเลียงถ่านจากเหมืองและกองสำรองเข้าสู่โรงไฟฟ้าโดยตรง
9. Electrical switchyard and transformers — ลานหม้อแปลงที่ยกแรงดันไฟฟ้าก่อนส่งเข้าสายส่งไปยังภาคเหนือและส่วนอื่นของประเทศ

เรื่องมลพิษของโรงไฟฟ้าถ่านหินเป็นเรื่องที่ควรเล่าตรงไปตรงมา โรงไฟฟ้ายุคใหม่มีเครื่องดักจับมลพิษก่อนปล่อยออกสู่อากาศ เช่น เครื่องดักฝุ่นที่เรียกว่า ESP (Electrostatic Precipitator — เครื่องดักฝุ่นไฟฟ้าสถิต) และเครื่องกำจัดก๊าซซัลเฟอร์ที่เรียกว่า FGD (Flue Gas Desulfurization — ระบบกำจัดก๊าซซัลเฟอร์จากไอเสีย) มาตรฐานเข้มงวดเหล่านี้ส่วนหนึ่งเป็นบทเรียนมาจากปัญหามลพิษที่แม่เมาะเองในช่วงปี พ.ศ. 2535 ที่ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์รั่วไหลจนกระทบสุขภาพชาวบ้านในพื้นที่ เหตุการณ์ครั้งนั้นนำไปสู่การลงทุนติดตั้งระบบดักจับมลพิษที่เข้มงวดขึ้นมากในเวลาต่อมา ก็เพราะประสบการณ์ครั้งนั้นเองที่ทำให้การจะสร้างโรงไฟฟ้าถ่านหินใหม่ในไทยวันนี้เป็นเรื่องยากขึ้นมาก ทั้งจากกระแสความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมและการคัดค้านจากชุมชนในพื้นที่ที่จะสร้าง ซึ่งเป็นความจริงที่ควรรับรู้ไว้อย่างเป็นกลาง ไม่เอนเอียงไปทางใดทางหนึ่ง

05.5 หอหล่อเย็นและไอสีขาว

ย้อนกลับไปที่วงจรปิดในหัวข้อ 5.1 หลังไอน้ำผ่านกังหันไปแล้ว มันยังต้องถูกควบแน่นกลับเป็นน้ำ และน้ำที่ควบแน่นแล้วก็ยังมีความร้อนเหลือค้างอยู่ที่ต้องระบายทิ้งก่อนวนกลับไปต้มใหม่ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่นี้คือ หอหล่อเย็น (cooling tower) ซึ่งมีทั้งแบบทรงเอวคอดสูงตระหง่านและแบบมีพัดลมช่วยเป่า

ไอสีขาวก้อนโตที่พวยพุ่งออกจากหอเอวคอดคือไอน้ำล้วนๆ ที่ควบแน่นเป็นละอองน้ำเล็กๆ เมื่อกระทบอากาศเย็นข้างนอก คล้ายกับลมหายใจของเราที่เห็นเป็นควันขาวในวันอากาศหนาว — ไม่ใช่ควันจากการเผาไหม้แต่อย่างใด ส่วนควันจริงจากการเผาเชื้อเพลิงนั้นออกทางปล่องสูงอีกต้นหนึ่งต่างหาก ซึ่งผ่านระบบกรองอย่าง ESP และ FGD ที่เล่าไว้ในหัวข้อก่อนหน้าแล้ว

1. Water vapor plume — ไอน้ำล้วนๆ ที่ควบแน่นเป็นละอองน้ำสีขาว ไม่ใช่ควันเผาไหม้ตามที่อธิบายไปแล้วในย่อหน้าข้างต้น
2. Tower shell — เปลือกคอนกรีตทรงเอวคอดของหอหล่อเย็น รูปทรงนี้ช่วยให้อากาศไหลเวียนขึ้นตามธรรมชาติได้ดีโดยไม่ต้องใช้พัดลม
3. Dry air inlet (enters through the base) — ช่องรับอากาศแห้งเย็นเข้าทางฐานหอ อากาศนี้จะไหลขึ้นไปสัมผัสกับน้ำร้อนด้านในและพาความร้อนออกไป
4. Distribution system และ Fill (heat transfer media) — ระบบกระจายน้ำร้อนให้ไหลผ่านแผ่นกระจายความร้อนภายในหอ เพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างน้ำกับอากาศให้ระบายความร้อนได้เร็วขึ้น
5. Structural supports — โครงค้ำยันฐานหอที่รับน้ำหนักเปลือกคอนกรีตขนาดยักษ์ทั้งหมด
6. Makeup water line — ท่อเติมน้ำใหม่ชดเชยส่วนที่ระเหยหายไปกับไอน้ำที่ลอยขึ้นฟ้าตลอดเวลา
7. Cold water basin — บ่อพักน้ำที่เย็นลงแล้วที่ก้นหอ ก่อนสูบกลับเข้าวงจรไปรับความร้อนรอบใหม่

เหตุผลที่โรงไฟฟ้าพลังความร้อนมักตั้งอยู่ริมแม่น้ำหรือริมทะเลก็มาจากเรื่องนี้เอง เพราะต้องใช้น้ำปริมาณมากช่วยระบายความร้อนทิ้งจากวงจรไอน้ำอยู่ตลอดเวลา อย่างโรงไฟฟ้าบางปะกงที่ตั้งอยู่ริมแม่น้ำบางปะกง หรือโรงไฟฟ้าขนอมที่ตั้งอยู่ริมทะเลอ่าวไทย ต่างก็ใช้แหล่งน้ำธรรมชาติข้างๆ ช่วยหล่อเย็นระบบทั้งสิ้น

สรุปท้ายบท

คำศัพท์ในบทนี้

ทบทวนความเข้าใจ